Imec bemutatja a Schottky-diódák és a depletion-üzemmódú HEMT-ek sikeres monolitikus integrációját, 200 V GaN-IC-vel

Folyamatmetszetek a 200 mm-es GaN-on-SOI szubsztrátokon gyártott nagyfeszültségű komponensekről (a) e-mód pGaN-HEMT, (b) d-mód MIS-HEMT, (c) Schottky-barrier dióda. Minden eszköz tartalmaz fémes mezőlemezeket, amelyek a front-end és az összekötő fémrétegeken alapulnak, és dielektromos rétegekkel vannak elválasztva.

Ebben a héten az imec, a vezető kutatás- és innovációs központ a nanoelektronika és digitális technológiák terén, bemutatja a sikeres ko-integrációt a nemesítésű Schottky-gát dióda és a depletion-üzemmódú HEMT-ek között egy p-GaN-HEMT-alapú 200 V-os GaN-on-SOI platformon, melyet intelligens integrált teljesítménychipekhez (IC-khez) fejlesztettek ki, 200 mm-es szubsztrátokra. Ezeknek az összetevőknek a kiegészítése lehetővé teszi a funkciók bővítésével és megnövelt teljesítménnyel rendelkező chipek tervezését, ami jelentős lépést jelent a monolitikus integrált GaN-es teljesítmény-IC-k fejlesztésében. Ez az eredmény utat nyit a kisebb és hatékonyabb DC/DC váltók, valamint Point-of-Load váltók felé.

A GaN-es teljesítmény-elektronika ma még elsősorban diszkrét komponensek által dominál, melyeket külső meghajtó-IC irányít, ezek generálják a kapcsolási jeleket. Azonban a GaN gyors kapcsolási sebességének teljes kihasználásához javasolt a teljesítmény-elem és a meghajtó funkciók monolitikus integrációja. Az imec már sikeresen demonstrálta egy félhíd és meghajtók, valamint vezérlő- és védőáramkörök monolitikus ko-integrációját, melyek kulcsfontosságúak egy teljes GaN-es teljesítmény-IC kialakításában egy chipen.

Az egyik fő akadály a GaN-es teljesítmény-IC-k teljesítményének növelésében a megfelelő megoldás keresése a p-csatornás elemek hiányára, melyek elfogadható teljesítménnyel rendelkeznek. A CMOS-technológiában komplementer és szimmetrikusabb p- és n-csatornás FET-párokat használnak, melyek a lyukak és elektronok mobilitásán alapulnak mindkét FET-típus esetében. GaN-ben azonban a lyukak mobilitása körülbelül 60-szor rosszabb, mint az elektronoké. Ez azt jelenti, hogy egy p-csatornás elem, ahol a lyukak a fő töltéshordozók, 60-szor nagyobb lenne, mint a n-csatornás megfelelője, és rendkívül hatékonytalan. Egy széles körben alkalmazott alternatíva a P-MOS helyettesítése ellenállással. Az ellenállásos tranzisztor-logikát (RTL) alkalmazták GaN-IC-kben, de kompromisszumokat jelent a kapcsolási idő és az áramfogyasztás között.

"A GaN-IC-k teljesítményét úgy javítottuk, hogy egyesítettük az Enhancement-Mode és a Depletion-Mode kapcsolókat, az úgynevezett e-Mode és d-Mode HEMT-eket. Az e-mode HEMT platformunkat SOI-n bővítjük ko-integrált d-mode HEMT-ekkel, így most már lépést tehetünk az RTL-ről a közvetlenül kapcsolt FET-logikára, ami javítja a kapcsolások sebességét és csökkenti a veszteségeket" – magyarázza Stefaan Decoutere, a GaN Power Systems programigazgatója az imec-nél.

Az egyik másik fontos összetevő a GaN-es teljesítmény-IC-k ko-integrációjában egy Schottky-gát dióda. A szilíciumhoz képest a GaN Schottky-diódák magasabb zárlati feszültségeket és alacsonyabb kapcsolási veszteségeket kombinálnak.

"Sikeresen bővítettük a 200 V-os GaN-on-SOI e-mode HEMT platformunkat monolitikusan integrált nagy teljesítményű Schottky-gát diódákkal és D-Mode HEMT-ekkel, ami közelebb visz minket az intelligens GaN-alapú teljesítmény-IC-khez. Ez a GaN-IC platform elérhető prototípus készítéséhez a Multi-Project-Wafer (MPW) szolgáltatásunkon keresztül" – tette hozzá Stefaan Decoutere. "Platformunk készen áll a partnerek számára történő átadásra. Keressük a gyártókat, tervezőházakat és végfelhasználókat egyaránt. A következő lépés a platform 650 V-os változatának fejlesztése és jóváhagyása lesz. A GaN-on-SOI technológia célalkalmazásai közé tartoznak a nagyfeszültségű kapcsolások és átalakítók, gyors töltőberendezések mobiltelefonokhoz, tabletekhez és laptopokhoz, valamint az elektromos autók fedélzeti töltői és inverterek, amelyek a napelemek csatlakoztatására szolgálnak az elektromos hálózathoz".